Radar(II): Ondas electromagnéticas, efecto Doppler

Antes de entrar en lo que es una onda electromagnética vamos a intentar explicar primero lo que es una onda. En el diccionario encontramos diversas definiciones.

– Cada una de las elevaciones que se forman al perturbar la superficie de un líquido.
– En un movimiento ondulatorio, lugar geométrico de los puntos que en un momento dado equidistan de sus respectivas posiciones de equilibrio.
– Movimiento que se propaga en un fluido.

… y un montón mas de definiciones que nos pueden volvernos locos o sonarnos a chino.

Para nuestro objetivo vamos a quedarnos con la idea del agua (aunque no es exactamente igual) imaginando un lago totalmente tranquilo donde tiramos una piedra y se produce una onda, como ondulación de la superficie viendo que existen puntos elevados llamados “crestas” y puntos hundidos llamados “valles” con respecto a la superficie tranquila.

ONDA SENOIDAL: ELEMENTOS QUE LA DEFINEN.

Se comprueba que este movimiento ondulatorio es una función senoidal, es decir que si en nuestro lago hiciésemos un corte a la propagación de las ondas que se producen al tirar la piedra, veríamos que el agua forma una onda senoidal.

Onda Senoidal

(NOTA: Todo esto no es exactamente correcto pero para dar una idea los neófitos del tema lo considero válido).

Una vez que tenemos más o menos claro lo que es una onda senoidal, vamos a nombrar los elementos que la definen:
Si representamos la senoidal en un eje de tiempos t y una amplitud A (lo que sube y baja el agua) definimos:

Periodo (T): Es el tiempo que tarda la senoidal desde que toma un valor x hasta que vuelve a alcanzar ese mismo valor.

Frecuencia (T): Es el número de periodos que existen en 1 segundo o lo que es lo mismo, el número de crestas por segundo y se mide en Hercios (Hz).

Se cumple la relación de que la frecuencia es la inversa del periodo (y viceversa).

f = 1 / T

Longitud de onda (?): Es la distancia que existe entre 2 puntos más próximos que se encuentran al mismo nivel en una onda. Se calcula como el cociente entre la velocidad de propagación en el medio (en el caso del estanque, del agua) y la frecuencia.

? = Velocidad de propagación / Frecuencia

Se calcula como el cociente entre la velocidad de propagación del medio y la frecuencia. En el agua que es nuestro ejemplo la velocidad de propagación es mucho menor que la de las ondas electromagnéticas, cuya velocidad de propagación es la velocidad de la luz (C).

ONDAS ELECTROMAGNETICAS

Pero ahora el ejemplo del lago ya no nos vale porque las ondas que se generan en un lago, o en el aire (ondas sonoras) necesitan de un elemento elástico para su propagación (como el agua o el aire), pero las ondas electromagnéticas se trasmiten en el vacío ¿y esto como es posible?

Hasta hace relativamente poco se pensaba que existía algo invisible (o por lo menos no detectable) llamado “éter” por el cual las ondas electromagnéticas (radio, luz, radiación, etc) se trasmitían igual que por el agua del estanque, pero esta idea ha sido descartada (aunque se esta volviendo a tocar algo parecido en las últimas investigaciones de mecánica cuántica y teoría de supercuerdas llamado campo de Higgs que podría ser parecido a este éter, pero esto es otra historia… para no dormir).

Entonces ¿Cómo se transmite la onda electromagnética por el vacío? Bueno, como su nombre indica una onda electromagnética es una onda de doble naturaleza, formada por campos eléctricos y campos magnéticos.

En física se sabe que un conductor (un cable) por el cual circula una corriente eléctrica variable genera un campo magnético variable al su alrededor (ley de Ampére).

Así mismo un flujo magnético variable sobre un cable genera en este un voltaje (Ley de Faraday).
Sin entrar en mas física, vemos que por un lado una corriente eléctrica variable genera un campo magnético próximo también variable, a la misma frecuencia del campo eléctrico, y por otro lado un campo magnético variable genera un campo eléctrico variable.

Sin más teoría así encontramos como se puede transmitir una onda electromagnética por el vacío:

Por la antena circula una corriente eléctrica variable a una frecuencia (f) que genera en los alrededores de la misma un campo magnético H.

A su vez, este campo magnético genera a su alrededor un campo eléctrico E.
Este a su vez, vuelve a generar otro campo magnético H… que a su vez genera otro E que genera otro H…. y así hasta el infinito… y así se genera una onda electromagnética que se propaga por el vacío.

ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

Ya que mas o menos sabemos lo que es una onda electromagnética ahora vamos a dividirlas por gama de frecuencias, ya que dependiendo de la frecuencia que tenga una onda electromagnética (oem) esta tiene un comportamiento distinto.

Una gran división desde 0Hz hasta lo máximo conocido podría ser:

– Audibles: Van desde 0Hz a 20KHz y son aquellas que aplicadas a un transductor (equipo de sonido) generan ondas acústicas. (nota, evidentemente el oído humano por debajo de unos 20Hz no oye nada, pero bueno, lo dejamos así ya que las ondas subsónicas por debajo de esta frecuenta en estos artículos no nos interesan nada).
– Radiodifusión: Van de 10KHz hasta 3000GHz.
– Infrarrojos: Van de 750GHz a 3THz (3*109)
– Espectro visible: La luz que vemos, van desde 375*1012 hasta 750*1012 Hz. (Aunque cuando se habla de luz normalmente nos referimos a su longitud de onda mas que a su frecuencia, por ejemplo el rojo son 720nm y el violeta 400nm que corresponde al rango visible).
– Ultravioleta: No es visible y van desde los 75012 hasta los 3*1016 Hz.
– Rayos X: Desde los 3*1016 a 3*1019
– Rayos Gamma: Desde los 6*1014 a los 3*1022
– Rayos cósmicos: Frecuencias superiores a los 3*1022 Hz.

(NOTA matemática: Para aquellos que no estén familiarizados con las potencias de 10, aclarar que un número por ejemplo 3*1012 lo que significa es que es una cifra formada por un 3 seguida de 12 ceros, o sea un numerito verdaderamente grande, entonces para no llenar la hoja de ceros, se utilizan estas exponenciales de 10).

Dentro de las ondas de radio (que son las que nos interesan en el caso del estudio de los radares y anti-radares) encontramos varias bandas:

VLF (ondas miriamétricas):
– Comprenden entre 10 y 30KHz.
– Su longitud de onda va desde 30 a 10 Km que son 3 y 1 miriámetros (de ahí su nombre).
– Se propagan por onda terrestre.
– Débil atenuación.
– Estabilidad de propagación.

LF (Ondas kilométricas):
– Comprenden entre 30 y 300KHz.
– Su longitud de onda va desde 1 a 10Km.
– Se propagan como las VLF pero menos estables.

MF (Ondas hectométricas):
– Comprenden entre 300 y 3000KHz.
– Su longitud de onda va desde 1 a 10 Hm.
– Propagación similar a las anteriores.
– Absorción elevada durante el día e ionosférica durante la noche.

HF (Ondas decamétricas):
– Comprenden entre 3 y 30MHz.
– Su longitud de onda va desde 1 a 10 decámetros.
– Propagación principalmente ionosférica.
– Fuertes variaciones entre el día y la noche, y según la estación de año.

VHF (Ondas métricas):
– Comprende entre 30 y 300MHz.
– Su longitud de onda va desde 1 a 10 metros.
– Propagación principalmente directa, ocasionalmente troposférica o ionosférica.

UHF (Ondas decamétricas):
– Comprenden entre 300 y 3000MHz.
– Su longitud de onda va desde 1 a 10 cm.
– Propagación exclusivamente directa.

SHF (Ondas centimétricas):
– Comprenden entre 3 y 30GHz.
– Su longitud de onda va desde 1 a 10cm.
– Propagación directa.

EHF (Ondas milimétricas):
– Comprende entre 30 y 300GHz.
– Su longitud de onda va desde 1 a 10 mm.
– Propagación directa.

Como vemos, el tipo de banda utilizada por los radares, por ejemplo el Multanova que trabaja a 34,3GHz se trata de la banda EHF, en su extremo mas bajo. ¿Por qué seleccionar esta frecuencia? Principalmente por 2 razones.

– Poseen una gran directividad, es decir que pueden enfocar un punto sin que exista dispersión.
– Al centrar el haz, toda la energía se centra en ese pequeño haz, por lo que con muy poquita potencia puedes trabajar (entre 0.2mW y 0.5mW en el Multinova).

EFECTO DOPPLER

Sin entrar en detalles, el efecto Doppler nos indica que un objeto móvil que emite una onda, esta se verá deformada ante un observador inmóvil ¿Qué significa esto? El conocido ejemplo de la ambulancia que viene con la sirena, al venir hacia nosotros las ondas que se generan delante de la misma son “comprimidas”, eso quiere decir que la longitud de onda ? disminuye y por lo tanto la frecuencia que nosotros percibimos aumenta, la sirena es aguda.

Pero una vez la ambulancia pasa, ocurre todo lo contrario, las ondas que genera la ambulancia por detrás son “expandidas”, es decir que la longitud de onda ? aumenta por lo que la frecuencia que nosotros percibimos disminuye, la sirena adquiere un tono grave.

Perfectamente sabemos que la sirena de la ambulancia tiene siempre el mismo tono, pero a efectos del observador que está quieto le parece que varía de agudo a grave.

Gracias a este efecto se ha podido descubrir que las galaxias por ejemplo, se alejan de nosotros ya que el espectro de luz se desplaza al rojo, es decir una frecuencia menor que la luz blanca y por lo tanto, al igual que la ambulancia, significa una frecuencia mas baja de la real y por lo tanto se aleja.

Gracias a este efecto nosotros podemos calcular la velocidad de un objeto en movimiento que genera una onda pero… si mi coche no emite ninguna onda ¿de que me sirve este efecto?

Eso lo veremos en el próximo artículo donde veremos además:

– Aplicaciones del efecto Doppler.
– Microondas. Guiaondas y antenas.
– Acoplamientos de RF en antenas de microondas.

Articulos relacionados

Radar(I): Introducción y generalidades
Radar(II): Ondas electromagnéticas, efecto Doppler
Radar(III): Aplicación del efecto Doppler, microondas
Radar(IV): Antenas, guiaondas y otros menesteres
Radar(V): Mezclando frecuencias
Radar(VI): Amplificaciones y osciladores
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